Razendsnelle multibeam elektronenmicroscoop biedt nieuwe mogelijkheden
De Fast-EM-elektronenmicroscoop is wel honderd keer sneller dan een reguliere scanning electron microscope. Het geheim: de Fast-EM scant niet met één elektronenbundel, maar met 64 bundels tegelijkertijd. De machine is een revolutie voor de wetenschap en de medische wereld. Maar de Fast-EM is slechts één schakel in de keten. De hoge scansnelheid maakt nieuwe technologie nodig, zowel voor de invoer van samples als voor de uitvoer en opslag van de scandata.
Wetenschappers en artsen bekijken de wereld graag in zo veel mogelijk detail. Elektronenmicroscopen hebben een resolutie die wordt gemeten in nanometers. Dat is maar iets groter dan de kleinste atomen en moleculen. Ter illustratie: een zuurstofmolecuul O2 is ongeveer 0,3 nm groot. Elektronenscans bieden dus een ongekend gedetailleerde blik op de werkelijkheid.
Reguliere scanning electron microscopes (sem) hebben een belangrijk nadeel: een sample scannen met een enkelvoudige elektronenbundel kost veel tijd, soms wel dagen of weken. Die tijd wordt verveelvoudigd wanneer het gaat om een 3D-scan, die wordt samengesteld uit een reeks 2D-scans van een sample dat in extreem dunne plakjes is gesneden. In de praktijk duurt het maken van een 3D-scan daardoor vaak te lang, zeker in medische situaties waar haast geboden is. Bovendien is scantijd kostbaar.
De Fast-EM van het consortium van Delmic, Technolution Advance, Thermo Fisher Scientific en de TU Delft biedt een antwoord met een veel hogere scansnelheid dankzij multibeam-technologie met 64 elektronenbundels. Waar een sem een dag nodig heeft, doet de Fast-EM hetzelfde klusje in een kwartier. Daarmee is de Fast-EM veel efficiënter in tijd en geld, en komen nieuwe toepassingen in zicht, bijvoorbeeld 3D-scans voor medische onderzoeken. De ontwikkelaars van het apparaat werken dan ook hard om dit mogelijk te maken.
Lopende band voor 3D-samples
Op dit moment is de Fast-EM in gebruik bij twee early adopters, de TU Delft en het Universitair Medisch Centrum Groningen (UMCG). De multibeam-technologie werkt en de gebruikers krijgen uitstekende resultaten. De machine vereist nog wel gespecialiseerde operators. Zij moeten kunnen omgaan met de complexiteit van het handmatig prepareren en invoeren van samples, maar ook met de stroom van scandata, die de Fast-EM met een snelheid van 10 Gbit per seconde genereert. Om de snelheid van de Fast-EM optimaal te benutten, werkt het ontwikkelconsortium aan geautomatiseerde oplossingen, aan de voorkant voor het prepareren en invoeren van samples en aan de achterkant voor de verwerking van de datastromen.
Een 3D-scan van een sample bestaat uit een gestapelde reeks van duizenden 2D-scans. Voor een soepel en snel 3D-scanproces is dan ook een soort lopende band nodig. Op dit moment is het invoerproces van samples grotendeels handmatig. Het te onderzoeken sample wordt chemisch bewerkt en met een diamanten mes in flinterdunne plakjes gesneden. Enkele honderden van deze plakjes worden geplaatst op een zogenaamde scintillator. De positie van de plakjes op de scintillator en de gewenste scanvolgorde worden gemarkeerd en het scannen kan beginnen. Uiteindelijk worden de 2D-scandata samengevoegd tot een 3D-beeld van het sample. Voor de uiteindelijke marktversie van de Fast-EM zal het consortium dit complexe 3D-scanproces zo veel mogelijk automatiseren. Delmic werkt momenteel aan een snijrobot en aan een oplossing waarmee negen scintillators in één keer worden aangeboden aan de Fast-EM.
Slimme data-acquisitie
Naast de invoer van samples is de verwerking van de gigantische, aanhoudende stroom van scandata een grote uitdaging. Hiervoor zijn momenteel geen platforms beschikbaar. Nieuwe technologie voor high-speed data zal uitkomst moeten bieden. Technolution, dat ook de elektronencamera van de Fast-EM heeft ontwikkeld, bouwt daarom een data-acquisitieplatform dat de datastromen van de scanner realtime zal verwerken. Het platform wordt voorzien van software en firmware die de data al tijdens de acquisitiefase voorbewerken om de scaninformatie te visualiseren en de vereiste opslagruimte te minimaliseren.
De gebruiker kan hierdoor sneller en gemakkelijker door de gegevens navigeren en toegang krijgen tot de informatie. Het nieuwe dataplatform krijgt een uniek karakter omdat het vooral geschikt moet zijn voor de snelle en langdurige verwerking van streaming data. Dit is geen triviale uitdaging. Ondanks de hoge snelheid van de Fast-EM kost een 3D-scan doorgaans nog steeds meerdere dagen. Met een datastroom van 10 Gb/s loopt de benodigde opslagruimte snel op. Het is ondoenlijk om alle petabytes aan ruwe scangegevens op te slaan. Technolution zal het dataplatform voorzien van intelligentie die hier de juiste keuzes in maakt.
Medische Google Maps
Terwijl de technologie van de Fast-EM wordt uitgebreid en vervolmaakt door het consortium, werken de early adopters aan nieuwe toepassingen met de snelle elektronenmicroscoop. Het ideaal van het UMCG is een soort medische Google Maps: een atlas van het menselijk lichaam waarin kenmerkende eigenschappen en markante elementen van medische samples eenvoudig zijn terug te vinden. Het centrum heeft een reputatie hoog te houden op het gebied van elektronenmicroscopie in lifesciences (nanotomy). De UMCG-onderzoekers maken specifieke weefseldata openbaar via nanotomy.org. Zij zijn op het gebied van nanotomy inmiddels nummer 1 in de wereld.
De acquisitietijd op de elektronenmicroscoop was altijd een beperkende factor voor het onderzoek van het UMCG. Het UMCG kan zichzelf met de Fast-EM nog beter op de kaart zetten als een centrum voor data-acquisitie. Belangrijk is wel om meer grip te krijgen op de lawine aan data. Dit is dan ook een belangrijke prioriteit voor het ontwikkelconsortium van de Fast-EM.
Zebravishersenen
De TU Delft ondersteunt onderzoek naar de werking van de hersenen en het ontstaan van hersenziektes. Alleen elektronenmicroscopie biedt de resolutie die nodig is om verbindingen tussen individuele neuronen in beeld te brengen. De hersenen van zebravissen zijn een uitstekend model voor dit onderzoek, maar zelfs het minuscule brein van een zebravis kost met een reguliere elektronenmicroscoop vele jaren om te scannen. Met de Fast-EM kan dit proces worden teruggebracht tot ongeveer één maand. Met het nieuwe data-acquisitieplatform van Technolution wordt het mogelijk om een driedimensionale weergave van de hersenen van een zebravis te maken.
De TU Delft test daarnaast een snijrobot die is ontwikkeld door Delmic. De grote uitdaging hierbij is de reconstructie van een 3D-beeld uit de afzonderlijke 2D-opnames. Omdat elk plakje iets vervormd kan zijn, is de vereiste software zeer complex. De toepasbaarheid van het concept is inmiddels aangetoond.
Tot slot bouwt de Delftse universiteit ervaring op met het gebruik van kunstmatige intelligentie voor het herkennen van biologische structuren in de scans. Omdat elektromicroscopie alleen grijswaarden oplevert, is dit een ingewikkeld proces, waarbij AI uitstekende resultaten blijkt te leveren.
Stortvloed aan inzichten en ideeën
De mogelijke toepassingen van de Fast-EM zijn nog lang niet allemaal in beeld, maar het consortium verwacht dat de snelle multibeam-technologie de sluizen zal openen voor een stortvloed aan nieuwe inzichten en ideeën. In de handen van creatieve gebruikers zal de Fast-EM een schat aan waardevolle visuele data opleveren.
De multibeam-technologie van de Fast-EM
De hoge scansnelheid van de Fast-EM-machine wordt bereikt door met een vast rooster van acht bij acht elektronenbundels te scannen. Elke individuele elektronenbundel scant een 64ste deel van het beeld. De informatie van elke bundel wordt in een corresponderende sensor omgezet in een grijswaarde voor elke scanpositie, oftewel een pixel. Dit resulteert na de scan in 64 tegels van 800 bij 800 pixels. Deze tegels worden realtime gecombineerd tot een beeld van 6400 bij 6400 pixels – een zogeheten singlefield. Vervolgens wordt de samplestage verplaatst om het volgende stukje van het preparaat te scannen. Door een kleine overlap toe te staan bij het scannen, kunnen alle singlefield-opnames worden gecombineerd tot een megafield-opname.
Een totale opname kan in principe net zo groot zijn als de gehele samplehouder, ongeveer 2 bij 2 centimeter, maar in de praktijk hebben de te scannen plakjes meestal een oppervlakte van 1 vierkante millimeter, zo’n 250 duizend bij 250 duizend pixels, oftewel zo’n 63 gigapixel per megafield. Een 3D-stack van een preparaat bevat typisch duizenden van deze plakjes.
De Fast-EM is mede tot stand gekomen dankzij een bijdrage van het Europees fonds voor regionale ontwikkeling Efro en is mede gefinancierd in het kader van de respons van de Europese Unie op de Covid-19-pandemie.
Bekroonde technologie
